斜接型交匯河段水流特性試驗及數值模擬研究

張毅爽

（新疆建源工程有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

水是生命之源,但“水能載舟亦能覆舟”。目前洪水災害頻發成為我國在水沙治理方面研究上面臨的最大挑戰,而且近半個世紀以來,在氣候不斷變化和人類活動的影響下,新疆塔里木河段逐漸出現了淤積萎縮的趨勢。隨著科技不斷發展,我國水利工作者通過長期研究各個流域的水流水沙演變情況,基本上掌握了流域河道的演變特性,為新疆流域水沙治理方面的研究提供了強有利的科學依據［1-2］。

河道演變的根本原因是流域河道輸沙的不平衡。影響河道的沖淤演變的主要因素有水力因素、水庫調控和風沙入河等。河床地形結構、河床邊界條件及河道來水來沙條件決定著該河段水流的水動力條件,隨著水動力條件的不斷變化,從而促進河道、河床邊界中的物質交換過程［3］。在河流縱坡降較少的情況下,河槽橫斷面形態的調整影響著河流過洪能力和輸沙能力。目前中小流量河流在我國現存河道中占據很大比重,較大洪水的發生具有一定的可能性,排洪和輸沙問題對不同斷面形態的要求使得矛盾愈見突出,綜合以上因素來看,研究塔里木河河段典型河道的河道演變和水沙作用規律,為人民的生產實踐和河道治理工作提供理論依據,具有極其重要意義。

1 區域概況

塔里木河位于塔里木盆地北部,是我國最長的內陸河。塔里木河干流西起阿克蘇河、葉爾羌河、和田河三河匯合處的肖夾克,繞塔克拉瑪干沙漠北緣向東,最終流入其尾閭臺特瑪湖,干流全長1321 km。塔里木河下游位于塔里木盆地東北部,東側為庫魯克沙漠,西側為塔克拉瑪干沙漠,河段由恰拉至臺特瑪湖,全長 428 km,呈東南向狹長條狀,寬度漸窄,在 20 km~40 km 之間。塔里木河下游可分為上、中、下三段：恰拉～大西海子水庫泄洪閘為塔里木河下游上段大西海子水庫泄洪閘～阿拉干是塔里木河的下游中段,阿拉干～臺特瑪湖是塔里木河的下游下段,對于塔里木河下游地區,由于來水量稀少,造成了下游河道常年斷流［4］。塔里木河由中游的泛濫性河流進入下游河段后轉變為較固定的下切性河流,基本沒有分散的叉流,河床下切深度2 m~5 m,河道較窄,河道縱坡1/4500~1/7900。

圖1 塔里木河下游位置圖

2 實驗研究方法及模型設計

2.1 模型設計

從關于交匯水流的現有研究文獻看來,交匯區域水流特性問題研究成果已非常豐富,大多所選試驗水槽斷面也幾乎都為矩形斷面。本研究物理模型試驗水槽斷面也基于矩形斷面進行設計,從而測量交匯角度為 45°時 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四種匯流比情況下的各個水力特性參數。在數值模型中針對交匯角度為 45°時的矩形水槽進行模擬運算,進而分析實測試驗結果與模擬運算結果的異同性。

水槽試驗為典型的明渠水槽,根據實驗可操作性,將試驗水槽按照重力相似準則來進行設計,本次關于交匯水流的物理模型試驗為基礎性研究試驗,則所建立的水槽模型為概化模型。試驗水槽具體形體尺寸為：試驗整體水槽為長×寬×高=21 m×1 m×0.5 m 的矩形槽,主、支槽的槽底坡降為 1‰,主槽寬 1 m,支槽寬 0.5 m,主、支槽在交匯區域上游大部分由水泥抹面制成,在靠近觀測區部分和整個觀測區則由無機玻璃制成,觀測區域長度為 2.0 m,支流以 45°的角度在距水槽末端的 7 m 處交匯對接。整個試驗由量測系統、流量調節系統、水流循環系統及其他相關的輔助設備組成。循環系統的動力裝置為兩臺潛水泵,通過 PVC 輸水管道將高位水箱、蓄水池及實驗水槽構成連接。

在此過程中,通過薄壁三角堰流公式計算得到不同堰角對應堰頂水頭測壓管的度數,見式（1）：

式中：h為堰頂水深；為三角堰頂角；Ce為流量系數。

2.2 試驗工況安排

物理模型試驗建立坐標原點位于主支流交匯口下游角點（水槽底部）,順水槽方向設為 X 軸正向,垂直水槽并指向右岸的方向設為 Y 軸正向,指向水面的水深方向為 Z 軸正向。X、Y、Z軸方向所對應得流速分別設為u、v、w。本文中主流流量為Qu,支流流量為Qb,主支流交匯后總流量為Qd,則：

這里定義匯流比為RQ=Qu/Qb,即用匯流比為主流流量與支流流量的比值。

物理模型試驗在不改變交匯角度（45°）的情況下采用兩種地形工況,分別為矩形斷面（命名為地形一）與一種較復雜的斷面（命名為地形二）,在每種地形下通過改變主流上三角堰堰角來調整匯流比,以達到匯流比為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四種情況,具體的試驗參數見表1。

表1 交匯水流結構試驗組次參數表

整個試驗過程總流量為 40 L/s,在主、支槽中分別裝有薄壁三角堰,支流上薄壁三角堰堰角固定位 90°,通過調整主流上薄壁三角堰堰角進而達到調整主支流流量比,調整角度為 90°、53°、37°、28°,由三角堰流量計算公式計算可得,以上四個角度分別對應匯流比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四組。

2.3 數值模型建立

研究針對矩形槽底工況進行了一系列數值模擬計算,其中水槽主支流交匯角為 45°,槽底坡降 1‰,模擬過程中通過將主支流匯流比改變為 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4四組來進行運算。

（1）網格劃分

計算模型中采用非結構網格,每一個網格單元均為三角形,對該工況下進行網格劃分見圖2（圖中橫縱坐標數值為該模型在 CAD 中所處坐標值）。網格劃分參數為：三角網格數為 2158、網格節點數為 1191、網格最大面積不超過 0.004 m2。

圖2 試驗數值模型網格劃分

（2）參數設定

物理模型試驗為清水定床試驗,數值模型亦擬定為清水定床模型,該工況具體模擬情況如下：

地形文件：地形選擇為 1‰比降的矩形槽,設槽的最下游端槽底高程為起始點,根據坡降向上游計算。

參數設定：該數值模型中總流量參數為Q=40 L/s,其單寬流量均勻分布,河床縱向坡降設為 1‰,水流為恒定非均勻流,綜合糙率 0.03125。針對每一組匯流比（按 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4 四種情況）分別進行模擬運算,每一組上下游出口條件取對應試驗測量過程中所測出的真實水深值。模塊選擇為 HD模塊模擬計算,計算中固壁按定邊界條件處理,模擬計算時間為2小時。

（3）模型研究

MIKE 21 模型［5］： 可以用來模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環境。它在對二維非恒定流進行模擬的同時,還對水下地形、潮汐變化和氣象條件進行了考慮。MIKE 21 主要包含水動力（HD）、水質（ECOLab）、對流擴散（AD）、波浪（OSW、NSW、BW、EMS 和 PMS）、泥沙傳輸（MT 和 ST）等模型。

水動力模型：本文數值計算是基于水動力模型（HD）進行的,該模型的控制方程由質量守恒方程（連續方程）和沿垂向積分的動量守恒方程組成：

x方向動量方程：y方向動量方程：

式中：x、y為空間坐標,m；t為時間,s；ρw為水的密度,kg/m3；g為重力加速度,m/s2；（x,y,t）為水位,m；C（x,y）為 Chezy系數,m1/2/s；d（x,y,t）為隨時間變化的水深,m；h（x,y,t）為水深（h= -d,m）；τxx、τxy、τyy為有效切應力分量；Ω（x,y）為科氏（Coriolis）系數,依賴于緯度,s-1；V、Vx、Vy（x,y,t）為風速及其在x、y方向的分量,m/s；Pa（x,y,t）為大氣壓強,Pa；f（V）為風摩擦系數；p、q分別為x、y方向的單寬流量,m3/（s·m）,其中p=uh,q=vh,u、v分別為x、y方向的垂向平均流速,m/s。

3 研究結果

本文以新疆塔里木河段復雜的干支流分布為背景,在總結前人研究成果的基礎上,對交匯角度為 45°的斜接型交匯水流分別設計并進行了物理模型試驗和數值模型試驗研究,其中物理模型試驗水槽分 1‰比降的矩形水槽和復式地形兩種,數值模型只針對矩形水槽進行模擬計算。每種地形通過改變 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4 四種匯流比RQ進行試驗測量和模擬運算,并分析數據。進而比較分析交匯角度分別為 45°、60°、90°時模型試驗的流速數據,對斜接型交匯水流運動特性進行了系統的闡述。進行水槽物理模型試驗及數值模型模擬運算,通過對得到數據進行分析得出：

（1）交匯角度為 45°條件下,當地形條件相同,而改變匯流比RQ時,RQ越小（即主流流量越小,支流流量越大）,流速變化范圍越大,主支流混摻紊動情況越明顯,分離區面積增大,主支流上游越易壅水。

（2）在匯流比、交匯角度等條件不變的情況下,改變交匯區域地形,地形越復雜交匯區域紊動情況也越劇烈。

（3）在只改變主支流交匯角度的情況下,交匯角越大,越不利于下游水流順暢,但最大流速區在交匯口下游向對岸移動,易對交匯區域岸邊產生沖刷,因此在實際工程中應綜合考慮現實問題來確定所要設計的交匯角度。所得數值模擬結果與物理模型試驗結果吻合良好。